А. Новиков - Строительство нефтяных и газовых скважин

Ассортимент шарошечных долот достаточно велик. По диаметрам, диапазон долот составляет от 93 мм до 914,4 мм. Компанией Huges Christensen разработано гибридное долото на базе шарошечного и долота PDC рис. 5.6. По сравнению с обычными типами алмазных долот PDC, уровень крутильных колебаний в системе буровых долот Kymera на 50 процентов меньше, поэтому его называют динамически устойчивым. Предназначены для бурения в перемежающихся твердых абразивных породах, состоящая из сланцевой глины, песка, эрозионного гранита, плотного песчаного пропластка, известняка и ангидритов, перемежающихся породах. Прерывистое скольжение возникает только при низких оборотах вращения долота. Так же снижены вихреобразные возмущения при высоких оборотах вращения долота. [21]

Рис. 5.6.Гибридное долото

Шарошечное долото является своеобразным механизмом, преобразующим в процессе взаимодействия с забоем вращения бурильной колонны или вала забойного двигателя в продольные, крутильные, а в определенных условиях, поперечные колебания.

Сильные вибрации могут привести:

1. Разрушению бурильных труб;

2. Разрушению элементов вышки;

3. Повреждению забойных двигателей и забойной аппаратуры;

4. Увеличению диаметра скважины;

5. Преждевременному износу долота;

6. Снижению Vмex.;

При усилении вибраций и при отсутствии контроля за их уровнем, может возникнуть явление «резонанса», которое может привести к катастрофическим разрушениям элементов бурильных труб и долота. [54]

Продольные и крутильные колебания органически связаны со спецификой конструкции шарошечных долот и принципом их работы.

Колебания имеет волновую природу. [6] Они классифицируются на:

• Продольные;

• Поперечные;

• Крутильные;

Они возникают одновременно и зависят от волновой характеристики бурильной колонны и включенных в ее компоновку устройств (калибраторов, центраторов, демпферов, амортизаторов), типоразмера долота, свойств разбуриваемых пород, параметров режима бурения.

Основные причины возникновения колебаний:

• Скачкообразный характер разрушения горных пород;

Ухабистость забоя скважины, которая в свою очередь зависит от:

а) воздействия бурильной колонны на забой при ее продольных и крутильных колебаниях;

б) резких и частых изменениях параметров режима бурения;

в) неоднородности, трещиноватости, и резкой перемежаемости по твердости разбуриваемых пород;

г) различия давления под разными опорными зубцами долота, вызываемого:

1. Неравномерным износом цапф и деталей подшипников долота, приводящим к нарушению соосности геометрической оси шарошки с осью вращения, а как следствие, к неодинаковому динамическому нагружению разных опорных зубцов;

2. Неравномерным износом зубцов, приводящим к образованию разной площади контакта с породой;

3. Зубчатая рабочая поверхность долота; пульсация давления в нагнетательной системе;

4. Дискретную подачу инструмента и др.

Форма поверхности ухабообразного забоя может быть различной, но наиболее вероятной является волнообразная

Экспериментально установлены характеристики колебаний:

Частота продольных колебаний:

• Высокочастотные колебания – 110–170 Гц;

• Низкочастотные колебания – 3–20 Гц;

Частота крутильных колебаний:

• Низкочастотные – 6–16 Гц;

• Высокочастотные – 120–220 Гц;

• Промежуточные – 20–110 Гц;

Амплитуда продольных колебаний составляет 0,1–1 мм. Хотя абсолютные значения частоты для различных видов колебаний различный, однако, порядок числовых значений примерно одинаков. Поэтому колебания, в которых работает долото, можно разделить на две гармоники: – высокочастотную и низкочастотную. [54]

Практика показывает, что высокочастотные колебания бурильного инструмента, возникающие при перекатывании зубцов шарошки по забою скважины и недостаточные по амплитуде для объемного разрушения породы, могут быть без ущерба погашены. [54]

В этом случае опоры шарошек будут испытывать вибрации меньшей интенсивности и ресурс долота возрастет.

Низкочастотные колебания связаны с усилием прижатия бурильной колонны к стенкам скважины, носят релаксационный характер и полностью связаны по частоте и амплитуде с крутильными колебаниями.

По данным исследований, низкочастотные колебания по амплитуде в 1,3–2,6 раза превышают статические усилия нагружения долота бурильным инструментом. Эта нагрузка способна создавать усилия для объемного разрушения забоя скважины. Следовательно, эффективность работы долота при условии сохранения динамических импульсов, возникающих при воздействии низкочастотных колебаний бурильного инструмента, повышается. При возникновении вибраций необходимо:

• Заново приработать долото;

• Отбурить 1–1.5 м нового ствола;

• Остановить вращение на 15–30 сек. и промыть забой;

• Продолжить бурение на пониженных режимах;

• При продолжении вибраций изменить режим бурения – снизить об/мин и/или повысить нагрузку на забой;

Если принятые меры неэффективны, необходимо применять в КНБК над долотный амортизатор. Рекомендуется над долотный амортизатор устанавливать на некотором расстоянии от долота, для использования низкочастотных колебаний при разрушения породы.

Для гашения продольных и крутильных колебаний разработаны различные конструкции амортизаторов, демпферов. В качестве амортизирующего элемента используются эластомеры и пружины.

Увеличение количества промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, снижает амплитуду продольных колебаний;

Неравномерность нагрузки на долото увеличивает амплитуду крутильных колебаний;

Поперечные колебания можно снять установкой полноразмерного над долотного калибратора, если это не спровоцирует рост зенитного угла скважины.

Если, самые высокие значения механической скорости проходки (ROP) достигаются при использовании нескольких комбинаций, нагрузка на долото (и обороты долота), то всегда нужно использовать наименьшую по величине комбинацию, что позволит снизить вероятность возникновения вибраций.

В крепких породах вероятность возникновения вибраций достаточно велика, поэтому необходимо при переходе из мягких пород в твердые, снижать скорость вращения долота, и проводить тест по подбору режима бурения. Максимальная скорость проходки должна быть при минимальных вибрациях. Из практики известно, что при возникновении осевых вибраций, уход в сторону снижения осевой нагрузки и оборотов ротора до 40–60 об/мин, устраняет вибрации, но снижает механическую скорость проходки. Увеличение скорости вращения ротора до 200 об/мин, так же устраняет вибрации, при увеличении мех, скорости проходки, но риск слома бурильных труб и УБТ возрастает. [54]